简单的曲线跟踪器电路解析

大多数电子产品都处理跟踪曲线，无论是反馈回路的特性传递曲线、电阻器的直线 VI 线还是晶体管的集电极电压与电流曲线。

这些曲线让我们直观地了解设备在电路中的行为方式。分析方法可能涉及将离散的电压和电流值插入数学公式并绘制结果，通常 x 轴代表电压，y 轴代表电流。

这种方法有效，但有时很乏味。正如每个电子爱好者都知道的那样，现实生活中组件的行为可能（通常很大程度上）与描述其操作的公式不同。

在这里，我们将使用一个电路（锯齿波）将离散增加的电压施加到我们要绘制其 VI 曲线的组件，然后使用示波器查看结果。

简单曲线追踪器

要实时绘制曲线，我们需要将连续的离散电压值应用于我们的被测设备，那么如何做到这一点？

我们的问题的解决方案是锯齿波。

锯齿波呈线性上升并周期性地回零。这允许在被测设备上施加连续增加的电压，并在图表上产生连续的轨迹（在本例中为示波器）。

XY 模式下的示波器用于“读取”电路。X 轴连接到被测设备，Y 轴连接到锯齿波。

此处使用的电路是曲线跟踪器的简单变体，使用555 定时器和LM358 运算放大器等通用部件。

所需组件

1. 对于计时器

555 计时器 - 任何变体

10uF电解电容（去耦）

100nF 陶瓷电容（去耦）

1K电阻（电流源）

10K电阻（电流源）

BC557 PNP晶体管或等效

10uF电解电容（定时）

2. 对于运算放大器

LM358 或类似的运算放大器

10uF电解电容（去耦）

10nF陶瓷电容（交流耦合）

10M电阻（交流耦合）

测试电阻（取决于被测设备，通常在 50 欧姆到几百欧姆之间。）

电路原理图

工作说明

1. 555定时器

这里使用的电路是经典 555 非稳态电路的简单变体，可用作锯齿波发生器。

通常定时电阻器通过连接到电源的电阻器馈电，但在这里它连接到（粗）恒流源。

恒流电源通过提供固定的基极-发射极偏置电压来工作，从而产生（有点）恒定的集电极电流。使用恒定电流对电容器充电会产生线性斜坡波形。

这种配置直接从电容器输出（我们正在寻找的锯齿斜坡）而不是从引脚 3 导出输出，它在这里提供窄负脉冲。

这个电路很聪明，因为它使用 555 的内部机制来控制恒流源电容斜坡发生器。

2. 放大器

由于输出直接来自电容器（由电流源充电），可用于为被测设备 （DUT） 供电的电流基本上为零。

为了解决这个问题，我们使用经典的 LM358 运算放大器作为电压（以及电流）缓冲器。这在一定程度上增加了 DUT 可用的电流。

电容器锯齿波形在 1/3 和 2/3 Vcc（555 动作）之间振荡，这在曲线跟踪器中是不可用的，因为电压不会从零开始斜坡，从而给出“不完整”的跟踪。为了解决这个问题，来自 555 的输入交流耦合到缓冲器输入。

10M电阻有点黑魔法——测试时发现如果不加电阻，输出只是浮到Vcc并停留在那里！这是因为寄生输入电容——连同高输入阻抗，它形成了一个积分器！10M 的电阻足以使这个寄生电容放电，但不足以显着加载恒流电路。

如何改进曲线追踪结果

由于该电路涉及高频和高阻抗，因此需要仔细构造以防止不需要的噪声和振荡。

建议充分去耦。尽可能避免使用面包板电路，而是使用 PCB 或穿孔板。

这个电路非常粗糙，因此很容易情绪化。建议使用可变电压源为该电路供电。即使是LM317也能在紧要关头工作。该电路在 7.5V 左右最稳定。

另一个需要考虑的重要事项是示波器的水平刻度设置——如果太高，则所有低频噪声都会使轨迹模糊，如果太低，则没有足够的数据来获得“完整”的轨迹。同样，这取决于电源设置。

获得可用轨迹需要仔细调整示波器时基设置和输入电压。

如果您想要进行有用的测量，则需要测试电阻器和运算放大器输出特性的知识。用一点数学就可以获得好的值。

如何使用曲线追踪电路

有两个简单的事情要记住——X 轴代表电压，Y 轴代表电流。

在示波器上，探测 X 轴非常简单——电压是“原样”，即对应于示波器上设置的每格电压。

Y 或当前轴稍微复杂一些。我们在这里不是直接测量电流，而是测量由于电流通过电路而导致的测试电阻两端的电压降。

如果我们测量 Y 轴上的峰值电压值就足够了。在这种情况下，它是 2V，如上图所示。

所以通过测试电路的峰值电流为

I扫描= V peak /R test。

这代表“扫描”电流范围，从 0 - I sweep。

根据设置，图表可以扩展到屏幕上的可用分区。因此，每格电流只是峰值电流除以图形延伸到的格数，换句话说，就是与图形顶部“尖端”接触的 X 轴平行的线。

二极管的曲线跟踪

上面描述的所有噪音和绒毛都可以在这里看到。

但是，可以清楚地看到二极管曲线，“拐点”为 0.7V（注意每格 X 刻度为 500mV）。

请注意，X 轴与预期的 0.7V 完全对应，这证明了 X 轴读数的“原样”性质。

此处使用的测试电阻为 1K，因此电流范围为 0mA – 2mA。这里的图表不超过两格（大约），所以粗略的比例是 1mA/格。

电阻器的曲线跟踪

电阻器是电气上最简单的器件，具有线性 VI 曲线，即欧姆定律，R = V/I。很明显，低阻值电阻具有陡峭的斜率（对于给定的 V，I 较高），而高阻值的电阻具有更平缓的斜率（对于给定的 V，I 较小）。

这里的测试电阻为 100 欧姆，因此电流范围为 0mA – 20mA。由于图表扩展到 2.5 格，因此每格的电流为 8mA。

1 伏电流上升 16mA，因此电阻为 1V/16mA = 62 欧姆，这是合适的，因为 DUT 是 100 欧姆的电位器。

晶体管的曲线跟踪

由于晶体管是一个三端器件，因此可以进行的测量数量非常多，但是，只有少数这些测量值被普遍使用，其中之一是集电极电压对基极电流的依赖性（均以地为参考） ，当然）在恒定的集电极电流下。

使用我们的曲线追踪器，这应该是一件容易的事。底座连接到恒定偏置，X 轴连接到收集器。测试电阻提供“恒定”电流。

结果跟踪应如下所示：

I B与 V CE

请注意，上图是对数刻度，记住示波器默认是线性的。

因此，曲线跟踪器是为简单组件生成 VI 跟踪并有助于直观了解组件特性的设备。